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Émission stimulée - LASER. L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation. lasers. Tous les photons émis sont indentiques entre eux même direction faisceau très peu divergent même longueur d’onde lumière monochromatique même phase lumière cohérente.

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Presentation Transcript

  1. Émission stimulée - LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation lasers

  2. Tous les photons émis sont indentiques entre eux même direction faisceau très peu divergent même longueur d’onde lumière monochromatique même phase lumière cohérente Émission stimulée

  3. absorption émission spontanée nj émission stimulée nj nj ni ni ni A.nj B.rn.ni B.rn.nj Coefficients d’Einstein 1917 : Albert Einstein introduit le concept d’émission stimulée pour expliquer le rayonnement du corps noir 3 processus inelastiques Absorption  B.rn.ni Émission spontanée  A.nj Émission stimulée  B.rn.nj rn = densité de rayonnement

  4. à l’équilibre absorption = émission stimulée+ émission spontanée Bij.rn.ni = Bji.rn.nj + Aji.nj j nj Abs Est Esp i ni Bij.rn. e-Ei/kT = Bji.rn. e-Ej/kT+ Aji e-Ej/kT j ni e-Ei/kT nj e-Ej/kT Populations selon Boltzman Aji.e-Ej/kT rn(Bij.e-Ei/kT - Bji.e-Ej/kT) = Aji.e-Ej/kT rn = (Bij.e-Ei/kT - Bji.e-Ej/kT) Aij rn = Bij.exp(Ej-Ei)/kT - Bji

  5. densité de rayonnement Ej hn Ej - Ei = hn Ei Identification avec le rayonnement du corps noir Aij rn = 8ph 8ph Bij.exp(hn/kT) - Bji rn = = l3 [exp(hn/kT) - 1] l3 [exp(hn/kT) - 1] l3 B = A 8ph Bij = Bji = B et Aij Aij rn = rn = Bij.exp(Ej-Ei)/kT - Bji Bij.exp(hn/kT) - Bji

  6. Absorption B.rn.ni Émission stimulée B.rn.nj Émission spontanée A.nj j nj Abs Est Esp i ni émission spontanée prépondérante à courtes longueurs d’onde A >> B désintégration nucléaire (effet Mössbauer) émission stimulée prépondérante à grandes longueurs d’onde B >> A j nj Fe Fe + g l3 saturation quand nj = ni relaxation non radiative: T1 et T2 B = A RMN 8ph Abs Est i ni Conséquences

  7. Inversion de population pour que l’émission stimulée devienne prépondérante Absorption B.rn.ni Émission stimulée B.rn.nj Est à priori nj ≤ ni Abs Est ≤ Abs Inversion de population par pompage optique Alfred Kastler (1958) transfert d’énergie nj > ni nj pompage optique émission stimulée système à 3 niveaux ni

  8. 3. Émission spontanée 4. Émission stimulée 1. Absorption d’un photon 2. Relaxation non radiative

  9. 1 photon incident 2 photons émis cascade processus de retour (miroir) pour amplifier le signal

  10. excitation lumineuse faisceau laser L Oscillateur LASER Interféromètre de Pérot-Fabry Charles Fabry 1867-1945 Alfred Pérot 1863-1925 amplification des ondes telles que L = nl/2

  11. Laser à rubis Physical review, 112 (1958) 1940 Charles Townes et Arthur Shalow décrivent la théorie du laser à rubis (Bell Labs - 1958) Arthur L. Schawlow Charles H. Townes

  12. Ted Maiman réalise le 1er laser à rubis (Hughes research Labs. 1960)

  13. lampe au krypton pompage optique rubis Le premier laser de T.H. Maiman

  14. +2 +1 0 -1 -2 eg champ octaédrique 4A2g t2g L’ion Cr3+ Configuration 3d3 ion libre 4F

  15. 18.000 cm-1 4T2g(F) 4A2g 4T1g(F) 4A2g 25.000 cm-1 4T1g(P) 4A2g 37.000 cm-1 Rubis Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) B = 695 cm-1 D = 17.000 cm-1 D/B ≈ 25

  16. Rubis Cr3+ 3d3 Al2O3/Cr3+ (≈ 0,5%) vert-jaune 556 nm = e = 15 rouge e = 14 bleu 25.000 18.000 cm-1 407 nm = violet Rubis rouge avec une légère teinte violette

  17. Termes excités Terme fondamental d3 (t2g)3 configuration(t2g)2.(eg)1 configuration 4A2g terme d3 4T1g - 4T2g l’absorption correspond à une transition électronique t2g eg termes L’énergie de ces 2 familles d’orbitales varie de façon différente avec D pente importante bandes larges hn = f(D)

  18. Rubis D = 2,23 eV D/B ≈ 25 Émeraude D = 2,05 eV D/B ≈ 20 émeraude déplacement vers les grandes l énergies plus faibles

  19. Émeraude D = 2,05 eV vert Sensibilité maximale de l’œil dans le vert Rubis D = 2,23 eV rouge vert bleu

  20. jaune bleu Alexandrite Cr3+/ BeAl2O4 D = 2,17 eV transmission rouge + vert La couleur dépend de l’éclairage Rouge sous une lampe à incandescence Verte à la lumière du jour

  21. Luminescence du rubis excitation 4A24T24T1 relaxation non radiative 2T1 et 2E émission spontanée 2T1 et 2E vers 4A2

  22. Luminescence du rubis excitation 4A24T24T1 relaxation non radiative 2T1 et 2E émission spontanée 2T1 et 2E vers 4A2

  23. Luminescence rouge 14.432 cm-1 14.403 cm-1 hn = 2T1 2E l = 694 nm Transitions au sein de la configuration t2g3 4A2 E 4T2 E varie de la même façon avec D 2T1 2E Raie fine Même luminescence rouge pour l’émeraude D 4A2 phosphorescence inversion de population Transitions interdites de spin

  24. émission absorption bandes larges raie fine

  25. Laser rubis absorption forte (bandes larges) émission monochromatique (raie fine)

  26. bande large laser accordable (710 à 820 nm) Alexandrite : Cr3+ BeAl2O4 L’émission se fait à partir du niveau 4T2

  27. Alexandrite : Cr3+ BeAl2O4 L’émission se fait à partir du niveau 4T2 bande large laser accordable (710 à 820 nm)

  28. E1 E2 E3 E0 Lasers à 4 niveaux - YAG : Nd3+ grenat d’yttrium et d’aluminium dopé avec des ions Nd3+ Guesic (1964) Y3Al5O12 le niveau émetteur E3 n’est pas peuplé thermiquement (E >> kT)

  29. Laser YAG: Nd3+ Configuration 4f 3 3 2 1 0 -1 -2 -3 S = 3/2 L = 6 Terme fondamental 4I Couplage spin-orbite : 4IJ L-S ≤ J ≤ L+S 9/2 ≤ J ≤ 15/2 4I15/2 4I13/2 4I11/2 État fondamental 4I9/2 4I9/2

  30. 4F3/2 4I15/2 4I13/2 1.064 nm 4F3/2 4I11/2 4I11/2 4I9/2 1.317 nm 4F3/2 4I13/2 946 nm 4F3/2 4I9/2 Émission à partir du niveau 4F3/2 laser rouge doublage vert : 532 nm

  31. eg transition t2g1 eg1 t2g Laser Titane-Saphir - Al2O3 : Ti3+ ( ≈ 1990) Configuration de Ti3+ = 3d1 hn = D ≈ 20.000 cm-1 Élimination de toute trace de Ti4+ qui donnerait une couleur bleue intense Remplacement des lasers à colorants dans l’infra-rouge

  32. 800 nm Système à 4 niveaux 1. excitation optique (400 à 650 nm) 2. relaxation non radiative 3. émission laser entre niveaux vibroniques (660 à 1180 nm) 4. relaxation non radiative

  33. Lasers infra-rouge MgF2 : Co2+ accordable de 1500 nm à 2500 nm

  34. H H N N H H H H 1954 : premier Maser à NH3 Inversion de la molécule NH3 (effet parapluie) Charles H. Townes Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Means of Acquiring Support for Expensive Research 1964 : Prix Nobel de physique à Townes, Basov et Prokhorov

  35. Maser à ammoniac Maiman - 1960

  36. Lasers à colorants Luminophores organiques

  37. Laser à CO2 Forte puissance ≈ 2,5 kW Gamme de travail : 9,4 à 10,4 mm Gaz : He, N2, CO2 découpe métaux chirurgie

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